Как высокотемпературные термисторы обеспечивают стабильность при экстремальных температурах?

Надёжная работа выше 300 °C с использованием керамических композитов и легированных металлооксидов

Термисторы для высоких температур используют специальные керамические композиты (в частности, легированные оксиды переходных металлов на основе систем марганец–никель–кобальт (MNC)), структура которых оптимизирована для надежной работы при температурах свыше 300 градусов Цельсия. Вся полупроводниковая активность ограничена определённой кристаллической структурой, в которой ионное движение не является достаточно свободным. Избыток редкоземельных элементов в составе стабилизирует химический состав термистора и, как следствие, повышает его тепловую чувствительность. Производители термисторов сообщают, что при использовании правильного химического состава сопротивление их термисторов изменяется менее чем на 0,5 % после 5000 циклов термоциклирования (в соответствии со стандартами ASTM). Применение стабилизаторов пузырьков из иттрий-стабилизированного циркония и спекание в среде, обогащенной кислородом, способствует формированию требуемой микроструктуры. Такая микроструктура обеспечивает термисторам очень низкую склонность к образованию трещин под действием термических напряжений при экстремальном термоциклировании.

Проблемы с термосваркой компонентов со временем: оседание кристаллов  

Кристаллизационное расслоение проявляется как проблема при нагреве твёрдого вещества до достаточно высокой температуры в течение продолжительного времени. Одной из ведущих мер противодействия этой проблеме является так называемое многослойное совместное обжигание. При многослойном совместном обжигании множество слоёв термисторов, а также изоляционные слои спекаются совместно в одном цикле спекания (приблизительно при 1400 °C), образуя однородное монолитное изделие, специально сконструированное для компенсации механических напряжений. В новейших конструкциях удалось снизить внутренние механические напряжения (внутри изделия) до уровня ниже 50 % от типичного значения (среднего напряжения) для изделий, изготовленных по традиционной вертикальной укладке (измерения остаточных напряжений в совместно обожжённых изделиях проводились в соответствии с IEC 60539). После совместного обжига устройство подвергается герметичной алюминиевой инкапсуляции для создания вакуумной (гелиевой) герметичной упаковки. Результаты испытаний показывают скорость утечки гелия менее 1 × 10⁻⁸ атм·см³/с, что предотвращает проникновение газов (дрейф) внутрь инкапсуляции при температурах выше 250 °C. Коэффициенты теплового расширения материала инкапсуляции (алюминия) и материала термистора тщательно согласованы (в пределах ±1,5 ppm/°C), что обеспечивает подавление движения границ зёрен не менее чем на 80 % (по истечении длительного срока службы).

Эти методы позволяют компонентам сохранять свою точность с дрейфом менее 2 % в течение 10 000 часов при полной рабочей температуре.

Показатели термостабильности при реальных условиях нагрузки

Термисторы для высоких температур должны обеспечивать точность не только в лабораторных условиях, но и при совместном воздействии термоциклирования, химической агрессии и механической вибрации в реальных эксплуатационных условиях.

Показатели долгосрочного дрейфа: изменение сопротивления менее чем на 2 % после 5000 часов при температуре 250 °C (МЭК 60751-2)

МЭК 60751-2 определяет стандарты надёжности, которых большинство компаний стремятся достичь. При описании отрицательного дрейфа сопротивления датчики, у которых дрейф сопротивления составляет менее 2 %, считаются сохранившими этот дрейф после непрерывной эксплуатации в течение 5000 часов при температуре 250 °C. Для подтверждения этих характеристик производители проводят ускоренные испытания на старение, моделирующие условия эксплуатации оборудования. Такие испытания включают использование множества климатических камер для имитации различных сред (например, жаркой и влажной), а также работу оборудования на полной мощности с превышением нормативных требований. Кроме того, рабочая температура оборудования циклически изменяется с высокой скоростью (например, повышается до 300 °C менее чем за минуту). Для достижения указанных результатов производители используют материалы со стабильной кристаллической структурой. Производство таких материалов требует специфической легирования, тщательного отжига для снятия возникающих внутренних напряжений, а также формирования корректной микроструктуры, обеспечивающей получение требуемых конечных свойств.

Компромисс между временем отклика и точностью при термоконтроле преобразователей высокой мощности

Выбор подходящего термистора при работе с высокомощными преобразователями (>200 °C) требует компромиссов между временем отклика и точностью измерений. Датчики толстоплёночного типа обеспечивают время отклика менее половины секунды, что является достаточно хорошим показателем, однако их погрешность составляет примерно 1,5 °C при резких изменениях нагрузки. Напротив, некоторые термисторные гранулы, помещённые в защитные покрытия, обладают точностью 0,3 °C даже при быстрых изменениях температуры свыше 50 °C/с, однако их время отклика превышает 3 секунды. В случае защитных элементов в IGBT последствия ошибки могут быть весьма серьёзными: это может привести либо к необоснованному отключению системы, либо, наоборот, к перегреву и выходу устройства из строя. Большинство инженеров считают подобный подход к проектированию систем и точность измерений более критичным параметром по сравнению со скоростью реакции.

Применение высокотемпературных термисторов: контроль температуры и защита

Отключение обмоток двигателя по PTC при превышении температуры с резкими точками переключения (120 °C – 200 °C)

Для всё возрастающего числа промышленных электродвигателей термисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC) становятся обязательными внутренними устройствами защиты обмоток промышленных двигателей. Эти устройства компактны и в нерабочем состоянии обладают низким сопротивлением. При достижении пороговой температуры (обычно в диапазоне от 120 до 200 °C) их сопротивление резко возрастает, что приводит к размыканию электрической цепи и предотвращает дальнейшее повышение температуры, а также возможные повреждения. Они выполнены таким образом, чтобы не включались и не выключались при каждом колебании температуры вверх и вниз. В случае серводвигателей, которые могут нормально функционировать при температуре около 150 °C, большинство используемых для защиты термисторов PTC обеспечивают точность в пределах ±5 % на протяжении тысяч циклов нагрева и охлаждения. Это является общепринятым критерием соответствия стандарту IEC 60751-2. Они изготавливаются из прочной керамики, что позволяет им выдерживать сложные условия эксплуатации, в том числе воздействие вибрации. Благодаря этим качествам термисторы PTC обеспечивают надёжную тепловую защиту без необходимости применения дополнительных датчиков или систем управления.

Механизмы отказов и стратегии их предотвращения для термисторов, работающих при высоких температурах

Высокие температуры вызывают специфические механизмы отказов термисторов. К ним относятся многократное термическое циклирование, приводящее к образованию микротрещин вследствие различий в коэффициентах теплового расширения; термически индуцированные изменения резистивных свойств из-за ускоренной оксидации; разрушение герметизирующих элементов и смещение калибровки под действием загрязняющих веществ; а также усталость паяных соединений — одна из основных причин электромеханических отказов, вызванных вибрацией.

Мы должны начать с материалов, чтобы улучшить стратегии смягчения последствий. Например, легированные керамические материалы способны предотвратить нежелательную перестройку кристаллических структур. Также применяются металлические корпуса, соединённые лазерной сваркой, обеспечивающие почти идеальную герметизацию от внешних воздействий окружающей среды. Кроме того, используются промежуточные слои из дисилицида молибдена, которые компенсируют различия в коэффициентах теплового расширения различных материалов. Помимо прочих методов, предпочтение отдаётся золотым проводным соединениям перед алюминиевыми, поскольку золото обладает лучшей термостойкостью по сравнению с алюминием при температурах выше +400 °C, при которых начинают разрушаться золотой провод или другие материалы. Однако наиболее передовые современные решения — это те, которые опираются не только на конструктивные элементы. Например, инженеры могут выявлять повреждения до того, как они распространятся, с помощью встроенной системы мониторинга сопротивления. В таких случаях прогнозирующий характер подхода является оптимальным, поскольку он особенно важен в применениях, где отсутствуют резервные компоненты.

Часто задаваемые вопросы  

Из каких материалов изготавливаются термисторы для работы при высоких температурах?

Термисторы для работы при высоких температурах обычно изготавливаются из керамики, поскольку их можно создавать на основе легированных оксидных систем переходных металлов, включающих марганец, никель и кобальт; такие материалы предпочтительны благодаря меньшей вероятности отказа при высоких температурах.

Что означает термин «совместное обжигание многослойных структур» применительно к термисторам?
При совместном обжиге многослойных структур чередующиеся слои термисторов и изоляционные слои спекаются в едином цикле обжига, что позволяет создавать монолитные конструкции, обладающие повышенной способностью выдерживать механические деформации по сравнению с традиционными методами.

Каким образом термисторы PTC защищают обмотки электродвигателей?
Термисторы PTC обеспечивают самозащиту: при повышении температуры их сопротивление резко возрастает до такой степени, что цепь размыкается, предотвращая дальнейшее повреждение.